内蒙古中西部地区小震震源机制解分析＊

刘 芳 王晓山 杨雅琼

(1)内蒙古自治区地震局,呼和浩特 010010 2)河北省地震局,石家庄 050021)

内蒙古中西部地区小震震源机制解分析＊

刘 芳1)王晓山2)杨雅琼2)

(1)内蒙古自治区地震局,呼和浩特 010010 2)河北省地震局,石家庄 050021)

利用 P、S最大振幅比数据反演中小震震源机制方法,选取 2001—2008年发生在内蒙古中西部的中小地震的数字波形数据,反演得到 130个地震震源机制。研究结果表明,震源机制存在NWW-SEE向和NE-S W向的两组节面,受近NEE-S WW方位的压应力和NNW-SSE方位的张应力作用,NWW-SEE向的破裂面产生右旋走向滑动, NNW-SSE向的破裂面产生左旋走向滑动。系统聚类分析显示,内蒙古中西部中小地震以直立节面、走滑型震源机制解为主。通过对杭锦旗、托克托两次 4级以上地震震源机制与背景场对比,认为均不是“前兆地震”。通过对震源机制的一致性参数分析,内蒙古中西部震源机制一致性参数出现低值区,对地震预测具有一定的指示意义。

内蒙古中西部;振幅比;震源机制解;波形数据;地震预测

1 引言

震源机制解是研究地震破裂和应力场的基本工具,随着观测技术的提高和震源机制求解方法的发展,已积累了大量资料。李钦祖[1]曾提出用 4个台站记录初动振幅比求小地震震源机制的思想,同时又分析了河北地区的震源机制结果,讨论了区域应力场的一致性。许忠淮等[2]利用北京周围地区地震台站的地震 P波初动资料,分区研究了综合断层面解得到的区域应力场的方向。刁桂苓[3]利用 P波初动数据,以多台数据同时求综合断层面解方法,更清晰地描述了唐山地震前区域应力场的变化过程。通过一系列研究工作,积累了比较丰富的数据,提供了必要的方法,给出了较好的结果,其应用已推广到华北地区乃至全国。

陈颙[4]根据海城前震序列的研究,提出用震源机制的一致性作为判别前震的新参数。刁桂苓等[3,5]给出 1976年河北唐山 7.8级地震前,震区附近小震 P波初动资料得到的综合断层面解矛盾符号占全部符号的比例降低的图像;1982年又给出北京延庆 1965年 5.4级地震前类似的现象。目前已经得到大同 1991年 5.8级地震、1999年 5.6级地震和张北 1999年 5.6级地震的前兆图像,以及伽师序列、千岛群岛地区和秘鲁震源机制一致性参数在震前出现低值的结论[6-9]。

为了研究大量的震源机制解之间的亲疏程度,许多专家以系统聚类的方法对此问题给予了很好的解决。刁桂苓等[10]给出了 1975年海城地震序列震源机制解的聚类分析结果。

内蒙古自治区地域辽阔,地形狭长,横跨我国西北、华北、东北地区,地质构造复杂,地震活动较为强烈[11-13]。内蒙古中西部地区 (39°18′～42°12′N; 105°42′～113°54′E)主要的活动断裂带包括狼山山前断裂、色尔腾山山前断裂、乌拉山北缘断裂、乌拉山山前断裂、大青山山前断裂等。公元前 7年发生河套大地震,公元 849年包头西发生 7级左右地震。同时内蒙古中西部地区又位于阴山带中段,由于其特殊的构造条件,使其成为阴山带应力变化的敏感窗口。尤其是 1970年以来地震活动异常活跃,先后发生了 1976年和林格尔 6.3级、1976年巴音木仁6.2级、1979年五原 6.0级、1981年丰镇 5.8级、1996年包头西 6.4级等一系列中强地震。

本文将在李钦祖、梁尚鸿等[14]提出的利用 P、S最大振幅比数据反演中小地震震源机制的基础上,采用刁桂苓研制的 P波初动和 P、S振幅比联合反演震源机制程序 (APAS程序)、系统聚类分析及震源机制一致性程序[6],研究内蒙古中西部中小地震震源机制及其主要应力场特征。

2 研究方法

梁尚鸿等[14]提出利用区域地震台网 P、S垂直分量振幅比数据测定小震震源机制。林纪曾等[15]进行了人工数据检验,并且对台站偏于一侧时的数据处理能力及误差进行了估计。结果表明,该方法具有精度高、需用的记录数据量少等优点,不仅在正常情况下能够得到很好的结果,而且在十分不利的数据条件下也可以给出令人满意的结果。胡新亮等人[16]的对比分析也进一步证实了利用数字地震记录的 P、S振幅比数据测定小震震源机制解的可靠性。因此,我们可以克服由于实际观测台网的局限所造成的测定小震震源机制的困难,取代以往仅利用 P波初动符号作粗略估计的方法,有效地利用小震数据,为进一步研究应力场提供丰富的小震震源机制解参数。

在计算过程中,考虑层状介质中一点源位错模型,由计算综合地震图得到 P、S各自最大振幅,通过其最大振幅比值与观测数据拟合的方式来确定震源机制。应用理论地震图方法,进行由观测记录波形测定震源机制的研究工作。

我们在使用振幅比方法的过程中,依据区内的速度结构确定分层速度模型,全部采用数字化地震波形记录,规定选用台站地震记录震中距Δ≤150 km,台站数目要求在 5个台站以上,以保证机制解的稳定性。一般取 P和 S到时之后前几个周期的最大振幅最大双振幅A,且要求 0.5 mm＜A＜限幅,精度 0.2 mm。同时避免了 Pn、P11、Sn、S11波这几种震相及一些转换波震相混入、误读。

3 数据选取

选取 2001—2008年发生在内蒙古中西部的中小地震,利用呼和浩特数字台网 (呼和浩特、集宁、百灵庙、乌兰花、清水河、东胜、西山咀、乌海)8个台站的数字波形数据。为了保证所采集的地震记录振幅不太小,又不限幅,取用ML=2.7～4.5。最终挑选出记录清晰的 130次地震事件记录进行分析研究(图 1)。本文采用刁桂苓研制的 APAS程序,反演得到内蒙古中西部地区 130次中小地震震源机制。这 130次地震基本覆盖了内蒙古中西部地区,而时间分布也基本连续,反映了内蒙古中西部地区的地震活动特征。

图 1 2001—2008年内蒙古中西部 130次ML≥2.7地震及台站分布Fig.1 Distribution of 130ML≥2.7 earthquakes and stations in central and western Inner Mongolia from 2001 to 2008

4 震源机制参数及结果分析

由于得到的震源机制解数目较多,无法逐一分析比较。以下对节面、压应力 P轴进行分析。

4.1 节面

1)节面走向分布。图 2(a)显示,每 30°角域几乎都有节面存在,表明中小地震破裂面取向较为离散,在NWW-SEE和NE-S W向存在节面的优势。

2)节面倾角的分布。图 2(b)显示,接近直立的60°～90°的节面所占的比例较大 (约 60%),说明随着滑动角的增加逆冲型断层多于正断层。

3)节面滑动角的分布。取 0°～30°、-30°～0°和 150°～180°、-150°～-180°为走向滑动;60°～120°、-60°～-120°为倾向滑动;其余为斜向滑动。图2(c)显示,约70%的节面为走滑,25%的为斜滑, 5%的为倾滑。其中倾滑型的数据虽然少,但确实独立存在。

图 2 节面走向、倾角、滑动角分布Fig.2 Distribution of strike,dip and slip angle of node plane

4.2 P轴、T轴方位分布

1)P轴方位的分布。由图 3(a)分析得出,P轴优势方向为N45°E。

2)T轴方位分布。由图 3(b)分析得出,T轴优势方向为 E45°S,而其余 T轴则散布在 120°角域,但数目不多。

通过对内蒙古中西部地区震源机制各参数的空间分布研究,给出这样一幅图像：在NWW-SEE向或NE-S W向的两个节面,受近NEE-S W方位的压应力和NNW-SE方位的张应力作用,NWW-EE向的节面产生右旋走向滑动,NNW-SE向的节面产生左旋走向滑动。

图3 P轴、T轴方位分布Fig.3 Distribution of P-axis,T-axis orientation

5 系统聚类分析

要将大量震源机制解以各自的空间取向划分出不同的类,并研究它们之间的亲疏程序,可由模式识别中系统聚类的方法加以解决[10]。

前面我们通过震源机制解的各个参数空间取向分析,得到了优势取向参数的空间分布图像。为了更好地比较各个震源机制解之间的异同,判别它们的性质,本文采用系统聚类方法,对 130个解进行分析。以最大距离法,把 130个震源机制解划分成 6类。图 4给出这 6类震源机制解 P轴和 T轴的投影,据此得到的平均 P、T轴及导出的节面也一并绘于图4中。

从表 1、图 4中可看出,第 1类包含地震共 58个,占总数的 44.6%,代表了内蒙古中西部中小地震震源机制解的主要特征。分析表明,平均 P轴走向为NEE向,平均 T轴走向为NNW向,呈水平状态;且节面较陡,本文称 1类直立节面、走滑型震源机制解为主类。它的平均解与李钦祖[17]、许忠淮[18]分别给出的华北构造应力场的方向完全一致。

图 4 震源机制系统聚类后各类 P、T轴平均解投影Fig.4 Focal mechanisms for various types P,T axis projection of the average solution after systemic clustering

表 1 系统聚类得到的 6类震源机制解平均解的空间取向Tab.1 Spatial orientation of average solution of six classes focalmechan is m solution by system ic clustering

6 震源机制的一致性参数分析

构造应力场由 3个相互正交的应力主轴σ1、σ2、σ3表示,震源机制的取向由 3个相互正交的应力轴 P、B、T表示。那么定义震源机制和构造应力场的一致性参数(图 5):

其中:α=∠σ1P,β=∠σ2B,γ=∠σ3T。

将所计算的中小地震源机制解结果确定参数σ1az、σ1ih、σ2az、σ2ih、σ3az、σ3ih,然后在三维空间计算各个震源机制一致性参数 a。一致性参数的最大值为 270°,最小值为 0°。

图 5 应力场 3个主轴和震源机制 3个应力轴夹角示意Fig.5 Sketch of three principal axes of stress field and three stress axes of focalmechanism

我们由前面的震源机制解计算结果在三维空间计算各个震源机制的一致性参数 a,采用Mapinfo软件中的专题制作功能,以 0.1°为间隔,用平均值 TI N方法进行插值,得到了内蒙古中西部震源机制参数空间分布图 (图 6)。图中深色表示高值,浅色表示低值。

由图 6中可看到,研究区域中出现一个明显的低值区：临河-乌海一带,其他低值区区域很小,可能由单个地震引起,属于随机事件,是不稳定结果,不能确定为低值异常区。基于刁桂苓对大同 1991年5.8级地震、1999年 5.6级地震和张北 1999年 5.6级地震的前兆图像,以及伽师序列、千岛群岛地区和秘鲁地震震源机制一致性参数震前低值的结论,本文认为,内蒙古中西部临河-乌海一带震源机制一致性参数出现低值,对地震预测预报具有一定的指示意义。

图 6 震源机制一致性参数空间分布Fig.6 Space distribution of consistency parameters of focal mechanism

7 P轴转向与仰角分析

孙加林[19]研究了华北、东北地区几次强震或中强地震,特别是对 1976年 4月 6日内蒙古和林格尔6.3级、1979年 8月 25日内蒙古五原 6.0级地震前中小地震震源机制的研究表明,强震前某些中小地震的主压应力轴方向出现明显的近 90°的转向,有的仰角亦明明显增大,由此认为 P轴转向 (所谓 P轴转向,是强震孕育到一定时期,在震源区或其附近发生的中小地震才具有的特征;所谓“转向”,是相对区域应力场而言,相对未来强震而言)有可能是“前兆地震”的判据之一。本文依据孙加林[19]的研究成果,以 1976年 4月 6日内蒙古和林格尔 6.3级、1979年8月 25日内蒙古五原 6.0级地震作为背景场,对研究区内发生的 2001年 6月 5日杭锦旗4.6及 2003年 6月 10日托克托 4.2级地震震源机制进行了对比分析,判定其是否为“前兆地震”。

表 2 两组 4级以上的地震震源机制解参数对比Tab.2 Comparison between focalmechan is m parameters of two groupsMs≥4 earthquakes

从表 2可以看出,2003年 6月 10日托克托 4.2级地震相对于 1976年 4月 6日和林格尔 6.3级地震背景场来讲,主压应力轴方向未出现 90°转向,仰角未增大。2001年 6月 5日杭锦旗 4.6级地震相对于 1979年 8月 25日五原 6.0级地震背景场来说,虽然仰角增大,但主压应力轴方向未出现 90°转向。分析认为,2001年 6月 5日杭锦旗 4.6级和2003年 6月 10日托克托 4.2级地震均不是“前兆地震”。

8 结论

1)通过对内蒙古中西部地区震源机制各参数的空间分布研究,表明存在NWW-SEE向或NE-S W两个优势方向的节面,受近NEE-SS W方位的压应力和NNW-SSE方位的张应力作用,NWW-SEE向的节面产生右旋走向滑动,NNW-SSE向的节面产生左旋走向滑动。

2)通过系统聚类方法分析,内蒙古中西部中小地震以直立节面、走滑型震源机制解为主类,构成内蒙古中西部震源机制的主体,而且与前人资料推断的华北构造应力场的方向一致。

3)通过对 2001年 6月 5日杭锦旗 4.6级、2003年 6月 10日托克托 4.2级两次地震震源机制解与背景场的对比分析,认为 2001—2008年间发生在内蒙古中西部这两次 4级以上地震均不是“前兆地震”。

4)从震源机制一致性参数结果可看出,临河-乌海一带的低值区对地震预测预报工作具有一定的指示意义。

1 李钦祖,王泽皋,贾云年.由单台小地震资料所得两个区域的应力场[J].地球物理学报,1973,16(1)：49-61.

2 许忠淮,刘玉芬,张郢珍.京、津、唐、张地区地震应力场的方向特征[J].地震学报,1979,1(2)：121-132.

3 刁桂苓,于新昌.唐山地震前后京、津、唐、张地区的综合断层面解[J].西北地震学报,1980,2(3)：39-47.

4 陈颙.用震源机制一致性作为描述地震活动性的新参数[J].地球物理学报,1978,19(2)：142-159.

5 刁桂苓,于新昌.海坨山地震前综合断层面解矛盾比的变化[J].地震,1982,(5)：16-17.

6 刁桂苓,等.大同晚期强余震前震源机制解的一致性特征[J].内陆地震,2004,18(3)：202-206.

7 张宏志,等.张北地区震前、震时和震后的震源机制[J].东北地震研究,2004,20(3)：1-7.

8 刁桂苓,等.伽师强震系列应力场的转向过程[J].地球物理学报,2005,48(5)：1 062-1 068.

9 王俊国,刁桂苓.千岛岛弧大震前哈佛大学矩心矩张量(CMT)解一致性的预测意义 [J].地震学报,2005,27 (2)：178-183.

10 刁桂苓,于利民,李钦祖.震源机制解的系统聚类分析(以海城地震序列为例)[J].中国地震,1992,8(3)：86-92.

11 刘芳,苗春兰,高艳玲.内蒙古中西部地区尾波 Q值研究[J].地震,2007,27(2)：72-79.

12 高立新,郑斯华,丁风和.内蒙古中西部地区震源参数和场地响应反演[J].西北地震学报,2005,27(2)：109-114.

13 高立新,郑斯华.内蒙古中西部地区中小地震震源参数反演和相互关系探讨[J].地震研究,2004,27(4)：296 -300.

14 梁尚鸿,等.利用区域地震台网 P,S振幅比资料测定小震震源参数[J].地球物理学报,1984,27(3)：247-257.

15 林纪曾,等.粤东闽南沿海小震震源参数的测定研究[J].地震学报,1991,13(4)：420-429.

16 胡新亮,等.利用数字地震记录的 P,S振幅比数据测定小震震源机制解的可靠性分析 [J].地震地质,2004,2 (26)：347-354.

17 李钦祖,等.华北地区的震源机制与地壳应力场[J].地震学报.1982,4(1)：55-61.

18 许忠淮,等.由多个小地震推断的华北地区构造应力场的方向[J].地震学报,1983,5(3)：268-279.

19 孙加林,李炜,阎海滨.P轴转向是“前兆地震”的一个可能判据[J].地震科学研究,1983(1)：1-13.

FOCAL M ECHANISM ANALYSIS OF SMALL EARTHQUAKE IN CENTRAL AND W ESTERN INNERMONGOL IA

Liu Fang1),Wang Xiaoshan2)and Yang Yaqiong2)

Using the method of the maximum amplitude ratio between P and S to inverse the focalmechanisms of s mall and medium earthquakes,and by using the digitalwavefor m data of the s mall and medium earthquake occurred in the central and western InnerMongolia from 2001 to 2008,130 focalmechanis mswere obtained.The results show that there are t wo groups of nodal plane in NWW-SEE and NE-S W.From the effect of the compressive stress in NEE-S WW direction and the tensile stress inNNW-SSE direction,theNWW-SEE break side results in the right sliding,theNNW-SSE one in the left sliding.Systemic clustering analysis shows that small andmedium earthquakes in the central and western InnerMongolia were mostlywith the section of vertical surface and strike-slip focalmechanis m solution.By contrasting the focal mechanis m of Hangjinqi and TuoketuoMs4 earthquakes with the background field,it is found that both of them are not precursor earthquakes.Through the analysis of consistency focalmechanism of parameters,there is a low value area of focalmechanis m parameters in the central and western InnerMongolia,itmay have a certain significance to earthquake prediction.

central and western Inner Mongolia;amplitude ratio;focal mechanism;wavefor m data;earthquake prediction

1671-5942(2010)Supp.(Ⅰ)-0007-05

2009-12-25

国家“十一五”科技支撑计划重点项目(2006BAC01B02-01-01)

刘芳,女,1963年生,高级工程师,主要从事地震监测、数字地震资料应用及地震编目.E-mail：lfnm88@163.com

P315.63

A

(1)Earthquake Adm inistration of InnerM ongolia Autonom ous Region,Hohhot 010010 2)Earthquake Adm inistration of Hebei Province,Shijiazhuang 050021)